Die Bedeutung des Nalp3-Inflammasoms im Modell der murinen Pneumokokkenpneumonie

Abstract

Das Ziel dieser Promotionsarbeit war die Charakterisierung der Rolle des Nalp3-Inflammasoms in der Pneumokokkenpneumonie. Zur Bearbeitung der Fragestellungen erfolgte der Einsatz unterschiedlicher Methoden am in vivo Mausmodell der Pneumokokken¬pneumonie und am ex vivo Modell der isoliert perfundierten und ventilierten Mauslunge (IPML). Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass eine Defizienz des Nalp3- Rezeptors eine erhöhte approximative Sterblichkeit in den ersten 72 Stunden nach Infektion mit Pneumokokken bedingt. Anschließende experimentelle Untersuchungen konnten eine vermehrte Störung der pulmonalvaskulären Barriere bei Nalp3-Defizienz in der Pneumonie zeigen. Diese durch Nalp3-Defizienz bedingte gesteigerte pulmonale Hyperper¬meabilität gegenüber den WT-Mäusen ist möglicherweise für die erhöhte Sterblichkeit relevant. Außerdem wurde eine erhöhte pulmonale Erregerlast post infectionem bei Nalp3-defizienten Mäusen im Vergleich zu den WT-Mäusen gefunden, was eine Schwächung der Abwehr gegenüber dem Erreger vermuten lässt. Jedoch reduzierte die Nalp3-Defizienz nicht die pulmonale inflammatorische Immunzellantwort. Ferner konnte eine Aktivierung von Nalp-3 durch das Exotoxin der Pneumokokken, Pneumolysin, nachgewiesen werden. In der isoliert perfundierten und ventilierten Mauslunge (IPML) wiesen die Lungen Nalp3-defizienter Mäuse eine erhöhte pulmonale Permeabilität nach intratrachealer Pneumolysinapplikation im Vergleich zu Lungen von WT-Mäusen auf. Außerdem führte die gleichzeitige intravaskuläre Applikation eines Caspase-1-Inhibitors bei intratrachealer Pneumolysinapplikation im IPML- Versuch mit WT-Mäusen zu einer deutlich verminderten pulmonalen Hyperpermeabilität. In weiteren Experimenten mit TLR4-defizienten Mäusen konnte darüber hinaus die TLR4-Unabhängigkeit der pulmonalen Hyperpermeabilität nach intratrachealer Pneumolysinapplikation beobachtet werden. Anschließende Untersuchungen führten zu dem Ergebnis, dass der Polymorphismus des Pneumolysins Einfluss auf die Erkennung und Reaktion des Immunsystems in der Pneumokokkenpneumonie nimmt. So konnten in Infektionsversuchen mit Pneumokokken, die nicht-hämolysierendes Pneumolysin produzieren weder Zeichen der systemischen Infektion, noch eine Infektion der Lunge gesehen werden. Passend hierzu zeigten weitere Untersuchungen in der IPML keine pulmonale Hyperpermeabilität nach intratrachealer Applikation von nicht-hämolysierendem Pneumolysin. Im Rahmen dieser Promotionsarbeit konnte die elementare Rolle des Nalp3-Rezeptors in der immunologischen Detektion von Streptococcus pneumoniae mit hämolytischem Pneumolysin gezeigt werden. Weiterhin fanden sich deutliche Hinweise auf eine verminderte Effizienz der klinisch relevanten Detektion von Pneumokokken mit nicht-hämolytischem Pneumolysin. Daraus kann geschlossen werden, dass eine unterschiedliche Antwort des Nalp3-Inflammasoms auf bestimmte Pneumolysinvarianten wahrscheinlich zu den Unterschieden in der Invasivität und Virulenz der unterschiedlichen Pneumokokken¬typen beiträgt. Zukünftige Studien werden benötigt, um diese Hypothese zu bestätigen Die Ergebnisse dieser Promotionsarbeit könnten zur Entwicklung neuer erregeradaptierter pharmakologischer Interventionsstrategien beitragen und somit zur Senkung der Letalität der hochinzidenten Pneumokokkenpneumonie in der post-Antibiotika- Ära.

The aim of this dissertation was to examine the role of the Nalp3-inflammasome in pneumococcal pneumonia. Different methods including the in vivo model of the pneumococcal pneumonia and the ex vivo model of the isolated perfused and ventilated mouse lung (IPML) were used to approach this aim. The results of this study showed that a deficiency in Nalp3-receptor causes an increase in mortality in early phase of pneumonia at 72 hours after infection with pneumococci. Furthermore the experiments that followed demonstrated an increased capillary leak in Nalp3-deficient mice in pneumonia. This damage of the epi- and endothelial barrier of the lung is possibly one of the reasons for the increased mortality. Moreover a higher pulmonary level of bacteria was detected in Nalp3-deficient mice compared to wildtyp mice, pointing at a less efficient defence towards pneumococci. However Nalp3-deficiency did not reduce the inflammatory immune cell response. Furthermore an activation of Nalp3 by the exotoxin of pneumococci, Pneumolysin, was demonstrated. In the IPML the lungs of Nalp3-deficient mice showed an enhanced capillary leak compared to wildtyp mice after intratracheal application of Pneumolysin. In addition the intravascular application of caspase-1-inhibitor in the IPML in wildtyp mice reduced the capillary leak after intratracheal application of Pneumolysin significantly. From further experiments the findings demonstrated that the capability to cause capillary leak after intratracheal application of Pneumolysin does not depend on TLR4. Additional experiments found evidence that the polymorphism of Pneumolysin affects the detection and reaction of the immunesystem towards pneumococci. Accordingly after infection with non- haemolytic Pneumolysin producing serotyp 1 pneumococci mice showed neither signs of systemic infection nor were any bacteria detected in the lungs. Moreover non-haemolytic Pneumolysin did not cause any capillary leak in the IPML after intratracheal application. This dissertation could find evidence for the essential role of the Nalp3-receptor in the immunologic detection of haemolytic Pneumolysin-producing Streptococcus pneumoniae. Furthermore there were clear signs that the detection of Streptococcus pneumonia with non- haemolytic Pneumolysin by the immune system is less efficient, so that a different answer of the Nalp3-inflammasome to a certain Pneumolysin version contributes to the diverging virulence of the different serotypes of pneumococci. Future studies are necessary to find more evidence for this hypothesis. The results of this dissertation could contribute to new germ- adapted pharmacological therapies to lower lethality of pneumococci pneumonia in the post-antibiotic-era.